Файл: Журавлев, Ю. П. Системное проектирование управляющих ЦВМ.pdf

Г Л А В А 2

ВЫБОР ВНУТРЕННЕГО ЯЗЫКА УПРАВЛЯЮЩИХ ЦВМ

§ 2.1. ПОСТАНОВКА ВОПРОСА

Под в н у т р е н н и м я з ы к о м ЦВМ понимается со­ вокупность ее системы операций, системы адресации, си­ стемы форматов команд, определяющая структуру устройства управления и порядок записи рабочих про­ грамм и программ обслуживания.

Основу системы операций составляет совокупность элементарных монадных и диадных арифметических и логических операций и передачи управления. Система адресации определяется количеством и разрядностью адресов, содержащихся в кодах команд, а система фор­ матов команд отражает взаимосвязи между системой операций и системой адресации. Эта взаимосвязь зави­ сит от способов кодирования программной информации.

Внутренний язык ЦВМ оказывает существенное влия­ ние на архитектуру машины и важнейшие технические характеристики, такие, как быстродействие, емкость па­ мяти и др. Известны случаи, когда изменение только си­ стемы команд некоторых узко специализированных бор­ товых ЦВМ приводило к значительному уменьшению их габаритов и веса.

Повысить эффективность внутреннего языка можно различными методами. Например, в список операций вводят такие операции, как извлечение квадратного кор­ ня, вычисление определенного интеграла от простейших функций и др. Введение таких операций усложняет структуру процессоров, но приводит к экономии времени и памяти. С целью экономии памяти для программ ино­ гда используют запись неполноразрядных относительных адресов в кодах команд, как это сделано, например, в ЦВМ «Днепр», IBM/360 и др.

61

раций и т. д. Для решения этой проблемы необходимо разобраться в возможностях повышения эффективности внутреннего языка за счет широкого использования принципов относительной адресации и вытекающих из них способов кодирования программной информации; определить состав и количество характеристик алгорит­ мов управления, необходимых для выбора внутреннего языка; рассмотреть возможные варианты систем форма­ тов команд и выбрать в соответствии с некоторыми кри­ териями наиболее подходящие из них; рассмотреть классы специальных грамматик, позволяющих формали­ зовать процесс решения проблемы; увязать все перечис­ ленные выше вопросы в единую методику выбора внут­ реннего языка и рассмотреть критерии оценки эффектив­ ности последней.

§ 2.2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ АДРЕСАЦИИ

Принцип относительной адресации впервые был при­ менен при программировании стандартных подпрограмм,

азатем существенно улучшен и технически реализован

внекоторых ЦВМ (например, «Днепр», IBM/360,

СТРЕТЧ [17, 18]). Однако возможности относительной адресации до конца не исчерпаны. Ниже рассматрива­ ются вопросы, связанные с целесообразностью исполь­ зования более эффективных методов относительной адресации, но уже не для удобства программирования, а для повышения производительности цифровых ма­ шин.

На этапе проектирования управляющей ЦВМ необ­ ходимо определить такие формы представления всех со­ ставных частей кода команды, которые бы позволили сократить до минимума ее информационную избыточ­ ность и вместе с тем не снизили производительность ма­ шины и не потребовали значительного дополнительного оборудования. Одним из таких способов кодирования является использование в формате команды неполно­ разрядных относительных адресов операндов при нали­ чии дополнительного полноразрядного базового адреса, хранящегося на специальном регистре.

Фактический адрес операнда формируется путем алгебраического суммирования базового адреса с нецодноразрядным относительным адресом. Поскольку

63

количество малоразрядных относительных адресов, по­ мещаемых в адресную часть команды, всегда будет больше по сравнению с количеством полноразрядных адресов в команде основного формата, то в коде опера­ ции необходимо записывать такой код, которому соот­ ветствует цепочка последовательных арифметических, логических и других операций.

Одна команда с относительными адресами эквива­ лентна нескольким командам с полноразрядными адре­ сами и выполняется в несколько тактов работы машины, причем в каждом такте формируется один или несколько исполнительных адресов операндов и один сигнал опе­ рации.

Применение в машине, кроме основного формата команд (когда в коде команды размещаются полнораз­ рядные адреса, количество которых определяется адрес­ ностью команды, и один полноразрядный код элементар­ ной операции), нескольких дополнительных форматов той же разрядности, но с большим количеством неполно­

в управляющих ЦВМ, для которых разработанные алго­ ритмы либо обладают большой связанностью, либо об­ рабатываемая информация располагается в компактных массивах памяти.

В зависимости от того, каким образом будут зада­ ваться базовые адреса, различают и способы формирова­ ния исполнительных адресов.

Обозначим:

Шф — полноразрядный фактический адрес операнда, содержащийся в адресной части кода команды основно­ го формата;

бг или ,Д; — неполноразрядный относительный адрес операнда, содержащийся в адресной части кода коман­ ды дополнительного формата;

йш — полноразрядный исполнительный адрес операн­ да, направляемый из устройства управления в ЗУ; b — полноразрядный базовый адрес, хранящийся в устройст­

64

ве управления на специальном регистре (регистре базо­ вого адреса).

При работе ЦВМ имеет место последовательный во времени поток исполнительных адресов операндов, на­ правляемых в ЗУ. Этому потоку соответствует поток фактических адресов, записанных в адресных частях по­ следовательно выполняемых команд.

Пусть @фmax и аф min — соответственно наибольший и наименьший фактические адреса. Тогда можно записать

где b— s Тах ^ а* min j , a s(x) — целая часть числа,

округленного в большую сторону до единицы младшего разряда.

В зависимости от характера потока фактических адресов может оказаться, что величина б; намного меньше Ь. В этом случае величину b можно рассматри­ вать как базовый адрес, а бгкак г-й относительный адрес. Каждому фактическому адресу Щф соответствует только один вполне определенный относительный адрес бг. Это позволяет заменить поток фактических адресов, записанных в адресных частях последовательно выпол­ няемых команд, на поток соответствующих им относи­ тельных адресов.

Если поток содержит I фактических ^-разрядных адресов, то общее количество разрядов в потоке будет IR. При замене фактических адресов на Д-разрядные относительные общее количество разрядов в потоке бу­ дет равно /Д.

Объем информации, принимаемой из ОЗУ в УУ, в по­ следнем случае будет тем меньше, чем больше отноше­ ние R/A, а следовательно, и для ее хранения в памяти машины потребуется меньшее количество разрядов. Что­ бы сохранить полное информационное содержание пото­ ка относительных адресов, в УУ необходимо иметь ба­ зовый адрес.

Фактические адреса формируются в соответствии с выражением (2.1) путем алгебраического сложения базового адреса с относительными. В некоторых случаях в качестве базового адреса целесообразно использовать предыдущий фактический адрес. Тогда фактические

адреса формируются в соответствии с выражением

способы задания базовых адресов.

Дляприведенныхспособов формирования фактиче­

Если в коде команды с относительными адресами име­ ются признаки модификации, то в этом случае исполни­ тельные адреса формируются следующим образом:

3) фактические адреса формируются в соответствии с выраже­ нием (2.1).

Базовый адрес Ь\ для первой группы адресов может быть опре­

группы (с учетом знака) равна:

Rl — Е log2 («ф max—&l) + 1 — 4.

66

Аналогичным путем для второй группы адресов пблучаёМ:

R2=E log2 (1160— 1130) +1 =6.

Очевидно, что заданный поток фактических адресов в случаё, когда в адресной части команды размещаются относительные ад­ реса, может быть реализован путем алгебраического сложения по­ следних с базовым адресом.

Действительно, для первой Труппы адресов имееМ: —7+1003 = 0774, + 2+1003 = 1005, +3+1003=1006 и Т. Д.;

для второй группы адресов:

—20+1130=1110, +1 + 1130=1131 и т. д.

Реализация таких программ требует предваритель­ ной засылки базового адреса для каждой группы фак­ тических адресов по специальной команде на регистр базового адреса. Относительная адресация должна при­ меняться совместно с обычной системой использования полноразрядных адресов. Таким образом, при реализа­ ции рассматриваемого потока фактических адресои це­ лесообразно пользоваться различными форматами команд с различным количеством относительных адре­ сов.

Программы реализации вычислительного процесса с заданным потоком фактических адресов приведены ниже.

В общем случае можно применять форматы таких мо­ дификаций, при которых в адресную часть команды по­ мещают разноразрядные относительные адреса.

Рассмотрим другой пример. Пусть поток фактических адресов имеет вид: 0133, 0101, 0160, 0101, 0157, 0102, 0150, ОНО, 0162, 0130, 0133, 0136, 0141, 0144, 0147, 0152,..., 7775 и фактические адреса формируются в соответствии с выражением (2.2). Тогда, приняв первый фактический адрес (0133) в качестве первого базового адре­ са, получаем поток относительных адресов: —32, +60, —57, +56,

ряда. Дальнейшей экономии можно добиться, если первые десять фактических адресов формировать в соответствии с выражением (2.1), выбрав постоянный базовый, равный 0131, а все последующие фактические адреса формировать в соответствии с выражением (2.2).

+ 3, +3,..., +3.